蔣建軍　丁志鋒

1(上海電機(jī)學(xué)院電子信息學(xué)院　上海 200240)2(武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院　湖北 武漢 430070)

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基于云技術(shù)的計算模式及其實現(xiàn)

蔣建軍1,2丁志鋒1

1(上海電機(jī)學(xué)院電子信息學(xué)院上海 200240)2(武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院湖北 武漢 430070)

摘要針對傳統(tǒng)計算模式下設(shè)備、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和用戶數(shù)據(jù)緊耦合的問題，提出基于云技術(shù)的計算模式，實現(xiàn)這四個要素的“完全分”和“自由合”。作為云技術(shù)計算模式的原型實現(xiàn)，云平臺在后端構(gòu)建存儲云、桌面云和應(yīng)用云，將用戶數(shù)據(jù)、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都集中部署在數(shù)據(jù)中心，可以讓用戶專注于自己的數(shù)據(jù)，在任何時候、從任何地方、使用任何設(shè)備、連接任何桌面、運行任何應(yīng)用程序來訪問、處理和分享自己的數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞云技術(shù)虛擬化管理引擎桌面云應(yīng)用云存儲云

0引言

計算技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)極大地影響了我們的生產(chǎn)和生活方式。傳統(tǒng)計算模式下，我們在設(shè)備上安裝操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)中安裝應(yīng)用程序，用應(yīng)用程序處理數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)計算模式采用以設(shè)備為中心的基礎(chǔ)架構(gòu)，用戶在處理數(shù)據(jù)時會有很多的不便。因此，信息技術(shù)領(lǐng)域的研發(fā)人員一直致力于對傳統(tǒng)計算模式的擴(kuò)展技術(shù)，包括存儲分離、桌面分離以及應(yīng)用分離等。

近年來，基于虛擬化的云技術(shù)已經(jīng)成為繼個人計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后新的熱點技術(shù)。云技術(shù)主要包含存儲云、桌面云以及應(yīng)用云等。存儲云拓展存儲路徑，使之跨越各種邏輯層、經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)、進(jìn)入虛擬機(jī)，將數(shù)據(jù)保存在云端。桌面云消除用戶桌面和特定硬件之間的綁定關(guān)系，在“云”中為用戶提供遠(yuǎn)程計算機(jī)桌面服務(wù)。應(yīng)用云將應(yīng)用程序部署在“云”中，用戶可以從任何客戶端運行這些應(yīng)用程序，如同本地安裝的應(yīng)用程序一樣。

目前針對虛擬化和云技術(shù)的研究非常廣泛。Michael等[1]概括了云計算的發(fā)展趨勢，并特別提出10個主要的發(fā)展障礙和機(jī)遇。Vasuprada等[2]總結(jié)了各種桌面虛擬化方案。Karl和Clarke給出了不同的虛擬化產(chǎn)品分類，并給出了應(yīng)用虛擬化的實現(xiàn)框架[3]。Amira等討論了云存儲的發(fā)展需求和挑戰(zhàn)，同時談到了當(dāng)前主要的云存儲服務(wù)提供商[4]。

各種云技術(shù)商業(yè)軟件和開源軟件也很多。在商業(yè)軟件方面，桌面云產(chǎn)品主要有CitrixXenDesktop[5]、VMwareESXi、MicrosoftHyper-V和RedhatHypervisor[6]等；應(yīng)用云主要有MicrosoftRemoteApp和CitrixXenApp；存儲云產(chǎn)品有Dropbox、百度網(wǎng)盤等。在開源技術(shù)方面，桌面和服務(wù)器虛擬化項目有OpenStack[7]、CloudStack[8]、Ovirt[9]等；Ulteo[10]發(fā)布了基于網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用虛擬化軟件；而存儲虛擬化方面有OwnCloud[11]等。從這些文獻(xiàn)和項目可以看到，對于各種云技術(shù)的獨立研究已經(jīng)比較深入，但是綜合上述技術(shù)的產(chǎn)品和應(yīng)用相對還少。

云技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了計算模式的變革，本文提出一種新的技術(shù)模式：基于云技術(shù)的計算模式。和傳統(tǒng)計算模式相比，基于云技術(shù)的計算模式實現(xiàn)了設(shè)備、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和用戶數(shù)據(jù)的“完全分“和”自由合”。可以讓用戶專注于自己的數(shù)據(jù)，在任何時候、從任何地方、使用任何設(shè)備、連接任何桌面、運行任何應(yīng)用程序來訪問、處理和分享自己的數(shù)據(jù)。

1傳統(tǒng)計算模式及其擴(kuò)展

圖1　傳統(tǒng)計算模式

傳統(tǒng)計算模式(如圖1所示)是一種緊耦合的計算模式，用戶在臺式機(jī)、便攜式電腦等個人計算機(jī)上搭建計算環(huán)境，即在硬件設(shè)備上安裝操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)中安裝應(yīng)用程序，用應(yīng)用程序來處理本地設(shè)備中的數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)計算模式采用的是以設(shè)備為中心的基礎(chǔ)架構(gòu)，計算環(huán)境和特定硬件綁定在一起。

毋庸置疑，傳統(tǒng)技術(shù)模式有很大的局限性。用戶要操作自己的數(shù)據(jù)，一方面受時間和距離的限制，另一方面，只能使用特定硬件和特定架構(gòu)的設(shè)備。此外，還必須在設(shè)備中安裝特定操作系統(tǒng)，以及在操作系統(tǒng)中安裝特定應(yīng)用程序。這就使得用戶無法專注于自己的數(shù)據(jù)，不得不將精力分散在數(shù)據(jù)操作的方法和途徑。

多年以來，信息技術(shù)工作者一直致力于改變這一狀況，產(chǎn)生了對傳統(tǒng)計算模式的不同擴(kuò)展技術(shù)，包括存儲分離、桌面分離以及應(yīng)用分離等，如圖2所示。

圖2　計算模式擴(kuò)展

計算模式擴(kuò)展之一(存儲分離)：將存儲(數(shù)據(jù))分隔出來，在設(shè)備上安裝操作系統(tǒng)，運行應(yīng)用程序，處理外部的數(shù)據(jù)。例子：USB、NAS、iSCSI、網(wǎng)盤等。

計算模式擴(kuò)展之二(桌面分離)：從設(shè)備訪問遠(yuǎn)程計算機(jī)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程管理、移動辦公等目的。例子：RDP、VNC、TeamViewer等。

計算模式擴(kuò)展之三(應(yīng)用分離)：運行網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用程序，就像安裝在本地的應(yīng)用程序一樣。例子：XenApp、RemoteApp。

存儲分離、桌面分離、應(yīng)用分離等擴(kuò)展技術(shù)還不能從根本上改變傳統(tǒng)計算模式的限制。云技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展推動了計算模式的革新，產(chǎn)生了基于云技術(shù)的計算模式。

2基于云技術(shù)的計算模式

圖3　基于云技術(shù)的計算模式

基于云技術(shù)的計算模式(如圖3所示)實現(xiàn)了設(shè)備、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)的“完全分”與“自由合”?；谠萍夹g(shù)的計算模式將用戶數(shù)據(jù)、操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序都集中部署在數(shù)據(jù)中心，采用的是以用戶為中心的基礎(chǔ)架構(gòu)。用戶只需要記住自己的帳號和密碼，就可以在任何時間、從任何地點、用任何設(shè)備(不限操作系統(tǒng)、無需應(yīng)用程序)來操作自己的數(shù)據(jù)。

在基于云技術(shù)的計算模式下，設(shè)備、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)四個要素之間相互獨立、相互關(guān)聯(lián)。用戶從任何設(shè)備、使用本地或遠(yuǎn)程操作系統(tǒng)，運行本地或遠(yuǎn)程應(yīng)用程序、處理存儲在本地或遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)。云技術(shù)計算模式支持以下四種場景：

使用場景一：在設(shè)備上直接處理存儲在遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)；

使用場景二：在設(shè)備上連接遠(yuǎn)程桌面，處理存儲在遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)；

使用場景三：在設(shè)備上運行遠(yuǎn)程應(yīng)用，處理存儲在遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)；

使用場景四：在設(shè)備上連接遠(yuǎn)程桌面，運行遠(yuǎn)程應(yīng)用，處理存儲在遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)；

基于云技術(shù)的計算模式是對傳統(tǒng)計算模式的革新，云技術(shù)計算模式讓用戶只需專注于數(shù)據(jù)，可以隨時隨地輕而易舉地訪問、處理和分享自己的數(shù)據(jù)。

3云平臺的設(shè)計與實現(xiàn)

本文開發(fā)了一個云平臺，進(jìn)而通過該云平臺實現(xiàn)了基于云技術(shù)的計算模式。云平臺在后端構(gòu)建一系列云：桌面云、應(yīng)用云以及存儲云。三者之間的關(guān)系可以概括為：桌面云為基礎(chǔ)、應(yīng)用云為支撐、存儲云為核心。

用戶可以通過臺式機(jī)、便攜式電腦、瘦客戶端、零客戶端、平板電腦、智能手機(jī)等設(shè)備直接訪問自己在存儲云中的數(shù)據(jù)；或者運行應(yīng)用云中的應(yīng)用程序，對存儲云中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；或者連接到桌面云中的虛擬桌面，訪問自己在存儲云中的數(shù)據(jù)。

云平臺實現(xiàn)架構(gòu)如圖4所示，包括硬件資源層、管理引擎層、邏輯資源層、訪問入口層以及訪問設(shè)備層。

圖4　云平臺實現(xiàn)架構(gòu)

? 硬件資源層：是云平臺的硬件基礎(chǔ)，包括服務(wù)器、存儲設(shè)備以及交換機(jī)等。

? 管理引擎層：云平臺管理引擎將物理硬件資源虛擬化成一個高可用數(shù)據(jù)中心。云存儲管理引擎、云桌面管理引擎、云應(yīng)用管理引擎則構(gòu)建相應(yīng)的“存儲云”、“桌面云”和“應(yīng)用云”。

? 邏輯資源層：由管理引擎從數(shù)據(jù)中心中創(chuàng)建的邏輯資源，組織成“池”的方式。

? 訪問入口層：存儲云、桌面云、應(yīng)用云入口訪問對應(yīng)的邏輯資源，統(tǒng)一入口可訪問所有邏輯資源。

? 訪問設(shè)備層：包括臺式機(jī)、便攜式電腦、瘦客戶端、平板電腦、智能手機(jī)等，可以安裝Windows、Linux、Android、MacOS、iOS等操作系統(tǒng)。

云平臺的核心是三個管理引擎，即云桌面管理引擎、云存儲管理引擎、云應(yīng)用管理引擎。目前，它們是三個獨立的模塊，被整合為一個統(tǒng)一的云平臺。

3.1云存儲管理引擎

在云平臺中，每個用戶擁有一個存儲空間。云存儲管理引擎包括管理員入口、以及用戶入口。

管理員通過管理入口對存儲云進(jìn)行管理，包括管理用戶、設(shè)置認(rèn)證方式、限制存儲配額等。

用戶可以通過用戶入口(瀏覽器方式)訪問自己在存儲云中的存儲空間，執(zhí)行上傳、下載、查看、共享等操作。

用戶也可以將云存儲空間映射為客戶端設(shè)備的存儲空間(掛載到本地驅(qū)動器或者是本地文件夾)，直接編輯其中的文件，而無需向其他網(wǎng)盤一樣，必須先將文件從云存儲下載到客戶端，進(jìn)行編輯，然后再上傳到云存儲中。

3.2云桌面管理引擎

云桌面管理引擎通過虛擬化技術(shù)將多個物理服務(wù)器虛擬化成一個高可用的數(shù)據(jù)中心，進(jìn)而在數(shù)據(jù)中心中創(chuàng)建各種類型的虛擬桌面。用戶可以隨時隨地連接到自己的虛擬桌面，使用其中部署好的計算環(huán)境。云桌面管理引擎包括管理員入口以及用戶入口。

管理員通過管理員入口對桌面云進(jìn)行管理,可執(zhí)行如下的管理功能：

? 管理虛擬化節(jié)點：虛擬化節(jié)點即虛擬機(jī)服務(wù)器，是所有云桌面駐留在的地方。

? 管理模板，模板從已經(jīng)安裝了完整環(huán)境的云桌面制作而成，可以很方便地克隆出具有相同初始配置的云桌面。

? 管理桌面池，桌面池包含了一批具有相同初始配置的云桌面。

? 管理云桌面，包括從模板創(chuàng)建桌面、從桌面池創(chuàng)建桌面、將桌面分配給用戶、從用戶回收桌面等。

用戶可以通過用戶入口(瀏覽器方式)或者客戶端軟件查詢分配給自己的虛擬桌面列表，并連接到任何虛擬桌面。

3.3云應(yīng)用管理引擎

云應(yīng)用管理引擎可以將運行在Windows或Linux應(yīng)用服務(wù)器上的應(yīng)用程序發(fā)布為云應(yīng)用，進(jìn)而授權(quán)給用戶。用戶登錄到應(yīng)用云，找到授權(quán)給自己的云應(yīng)用，可以直接運行，如同運行在本地安裝的應(yīng)用程序一樣。云應(yīng)用管理引擎包括管理員入口和用戶入口。

管理員通過管理員入口對應(yīng)用云進(jìn)行管理，可執(zhí)行如下的管理功能：

? 管理應(yīng)用服務(wù)器：包括查詢應(yīng)用服務(wù)器列表。

? 管理應(yīng)用程序：包括查詢應(yīng)用程序列表。

? 管理遠(yuǎn)程應(yīng)用：包括列出遠(yuǎn)程應(yīng)用、發(fā)布遠(yuǎn)程應(yīng)用、取消發(fā)布遠(yuǎn)程應(yīng)用、授權(quán)給用戶、取消授權(quán)給用戶。

用戶可以使用通過用戶入口查詢分配給自己的遠(yuǎn)程應(yīng)用列表，并選擇任何應(yīng)用程序運行。用戶也可以打包下載授權(quán)給自己的云應(yīng)用，執(zhí)行單步設(shè)置，所有云應(yīng)用的快捷方式都會出現(xiàn)在客戶端桌面上，雙擊即可直接運行。

3.4云平臺統(tǒng)一入口

目前，云平臺中云桌面、云應(yīng)用和云存儲是三個相互獨立的模塊，通過統(tǒng)一的LDAP認(rèn)證方式，云平臺能夠支持用戶的單點登錄。

用戶登錄時，通過LDAP認(rèn)證后，云平臺統(tǒng)一入口向各個管理引擎查詢該用戶所擁有的資源，比如分配了哪些云桌面、授權(quán)了哪些云應(yīng)用，以及訪問云存儲的鏈接等，登錄后將這些云資源呈現(xiàn)給用戶。

用戶可以通過云統(tǒng)一平臺從界面上直接以瀏覽器方式，或者下載后通過客戶端軟件來連接分配給自己的云桌面、授權(quán)給自己的云應(yīng)用，以及訪問分配給自己的云存儲。

4云平臺接入方式

用戶可以靈活使用各種方式接入云平臺，例如：

? 通過臺式機(jī)、便攜式電腦、瘦客戶端、平板電腦和智能手機(jī)等接入；

? 從安裝有Windows、Linux、MacOS、Android、iOS等各種操作系統(tǒng)的設(shè)備接入。

? 通過瀏覽器方式或使用客戶端軟件接入。

用戶接入到云平臺后，可以通過瀏覽器或移動客戶端訪問用戶的云存儲，執(zhí)行上傳、下載、查看、分享等操作,也可以通過客戶端將云存儲掛載為本地磁盤，直接處理云存儲中的數(shù)據(jù)。

用戶接入到云平臺后，可以通過瀏覽器或客戶端軟件訪問用戶的云桌面。在連接時，自動將云存儲掛載為本地一個磁盤，從而可以在云桌面中直接處理云存儲中的數(shù)據(jù)。在連接時，也能夠自動在云桌面中為授權(quán)給用戶的云應(yīng)用創(chuàng)建快捷方式，方便用戶在云桌面中直接運行云應(yīng)用。

用戶接入到云平臺后，可以通過瀏覽器或桌面快捷方式直接運行用戶的云應(yīng)用。在運行時，自動將云存儲掛載為應(yīng)用服務(wù)器上的一個磁盤，從而可以在云應(yīng)用中直接處理云存儲中的數(shù)據(jù)。

5云平臺應(yīng)用實例

上海電機(jī)學(xué)院一直關(guān)注著信息技術(shù)的發(fā)展，很早就意識到以虛擬化技術(shù)為核心的“云計算”已經(jīng)成為繼個人計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后新的熱點技術(shù)，未來在學(xué)校的信息化建設(shè)中將有著很大的作用。

作為嘗試，上海電機(jī)學(xué)院在校內(nèi)范圍內(nèi)實施了云統(tǒng)一平臺項目，將云桌面、云應(yīng)用、云存儲等作為資源，像傳統(tǒng)的教務(wù)管理系統(tǒng)、科研管理系統(tǒng)一樣，開放給部分老師。

? 老師可以有自己的云存儲，將課件保存在云存儲，通過手機(jī)等移動設(shè)備方便地查閱、展示?？梢酝ㄟ^云存儲將課件分享給學(xué)生，以及建立一個公共的文件夾收集學(xué)生的作業(yè)。

? 老師可以有自己的云桌面，也能從云桌面中直接訪問云存儲，或者在云桌面的某個文件夾與云存儲之間創(chuàng)建同步。這樣，就可以在辦公室通過云桌面來備課，然后在教室連到云桌面進(jìn)行授課。

? 老師也可以在云平臺中獲得一些云應(yīng)用的授權(quán)，從而在需要使用客戶端或云桌面沒有安裝的某些特定應(yīng)用程序來處理數(shù)據(jù)時，就可以使用云應(yīng)用，所處理的數(shù)據(jù)可以直接保存到云存儲，以方便訪問。

老師可以在校內(nèi)通過域名cloud.sdju.edu.cn訪問云統(tǒng)一平臺門戶(如圖5所示)，進(jìn)而通過此門戶連接分配自己的云桌面，運行授權(quán)給自己的云應(yīng)用，或者訪問分配給自己的云存儲。

圖5　云統(tǒng)一平臺門戶

老師也可以在校內(nèi)通過域名desk.sdju.edu.cn、app.sdju.edu.cn、stor.sdju.edu.cn直接訪問云桌面、云應(yīng)用或云存儲資源。這里只列出云應(yīng)用用戶入口的主界面，如圖6所示。

云統(tǒng)一平臺的實施給老師帶來了方便，最大的優(yōu)點在于：他們能夠真正意義上把注意力集中在自己的數(shù)據(jù)上。只要數(shù)據(jù)不出現(xiàn)問題，客戶端硬件設(shè)備損壞、操作系統(tǒng)崩潰、應(yīng)用程序故障都無關(guān)緊要，他們可以在第一時間使用其他客戶端、云桌面和云應(yīng)用資源來操作數(shù)據(jù)。

通過此應(yīng)用實例可以看出，云平臺的應(yīng)用是非常廣泛的，并不僅限于某個行業(yè)，某種應(yīng)用，未來將有更多的普及。

圖6　云應(yīng)用用戶入口

6結(jié)語

本文介紹了基于云技術(shù)的計算模式。和傳統(tǒng)技術(shù)模式相比，它實現(xiàn)了設(shè)備、操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)的“完全分”與“自由合”。我們已經(jīng)完成了基于云技術(shù)的計算平臺的原型實現(xiàn)。在該實現(xiàn)中，存儲云、桌面云、應(yīng)用云可以作為三個獨立的系統(tǒng)，也可以統(tǒng)一進(jìn)行部署，允許用戶通過云平臺統(tǒng)一用戶入口來訪問?；旧?，云平臺支持基于云技術(shù)的計算模式四種使用場景，但是如何改善用戶體驗是下一步要解決的主要課題。

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CLOUD TECHNOLOGY-BASED COMPUTING MODEL AND ITS IMPLEMENTATION

Jiang Jianjun1,2Ding Zhifeng1

1(School of Electronic Information,Shanghai Dianji University,Shanghai 200240,China)2(School of Information Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430070,Hubei,China)

AbstractIn light of the problem of tight coupling among device, operating system, application and data in traditional computing mode, we present the cloud technology-based computing mode to achieve the “complete separation” and “free combination” of these four elements. As the prototype implementation of cloud computing mode, the cloud platform constructs the storage could, desktop cloud and application cloud on backend, and centralises user data, operating system and applications in data centre, which is able make users focus on the data of their own, and access, process and share their data in any time, from anywhere, using any device, connecting any desktop and running any application.

KeywordsCloud technologyVirtualisationManagement engineDesktop cloudApplication cloudStorage cloud

收稿日期：2014-11-07。上海市科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金項目(1401H186600)。蔣建軍，副教授，主研領(lǐng)域：信息、網(wǎng)絡(luò)、存儲、虛擬化技術(shù)及應(yīng)用。丁志鋒，工程師。

中圖分類號TP3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼A

DOI:10.3969/j.issn.1000-386x.2016.06.021